CN104714129A - 一种基于dsp的新型电参数测试实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于DSP的新型电参数测试实验系统。其技术方案是包括主DSP模块、从DSP模块、和外部扩展接口主，其中，外部扩展接口主要用于与系统底板、双端口RAM、触摸屏接口、无线模块接口、SD卡接口以及USB接口连接；有益效果是：采用两个DSP芯片来分别采集变频器前、后端的电压、电流信号并计算出相关电参数，即测出变频器输入侧和输出侧各相电压、电流的基波成分以及3—21次的谐波成分，同时计算出相应的有功功率和功率因数等参数，并采用快速傅里叶算法，实现分析变频器输入输出侧的电能质量的目的；能同时、同步采集抽油机变频器输入端和输出端的电气参数，进而为分析油井工况和变频器的节能效果提供理论依据。

Description

一种基于DSP的新型电参数测试实验系统

技术领域

本发明涉及一种电参数测试实验系统，特别涉及一种基于DSP的新型电参数测试实验系统。

背景技术

    近年来，随着科技的发展和环保意识的增强，变频调速、变频软启动在石油、石化行业得到了广泛应用。但由于现场环境的不同，各生产单位采用不同的变频器，使得变频器没有统一的规范，导致抽油机在参数调节、节能效果方面存在很大差别。

由于交流变频器输出的电压和电流中既有按调速要求输出的低频率基波分量,又含有由开关引起的高次谐波分量,在对系统电参数进行综合测量时，不同种类的普通电气仪表，因其测量原理及其适用范围不同、测量仪表和测量电路不同，所得到的数据也不同。若测量仪表选择不当，测量结果就会出现很大的误差，以致无法进行日常简单的维护和故障诊断。若测量方法不当，则有可能毁坏变频器。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于DSP的新型电参数测试实验系统，采用两个DSP芯片来分别采集变频器前、后端的电压、电流信号并计算出相关电参数，实现分析变频器输入输出侧的电能质量的目的。

其技术方案是包括主DSP模块、从DSP模块、和外部扩展接口主，其中，外部扩展接口主要用于与系统底板、双端口RAM、触摸屏接口、无线模块接口、SD卡接口以及USB接口连接；

所述的主DSP模块主要负责同步采集变频器输入侧的各相电流、电压信号，通过电流通道信号调理电路和电压通道信号调理电路，利用ANF算法，从采集到的信号中提取出电网频率从而实时调整采样频率；并且利用无线模块同步采集示功图的参数，利用快速傅里叶算法分别计算出各相电流、电压的基波及3-21次谐波有效值及相应的功率、功率因数电力参数；主DSP同时负责完成人机界面交互、远程通信以及所有电参数的存取功能；另外主DSP和从DSP相互间的同步协调工作也由主DSP通过双端口RAM的数据交互来完成；

所述的从DSP模块主要负责接收主DSP发来的启动命令，再同步采集变频器输出侧各相电流、电压信号，通过电流通道信号调理电路和电压通道信号调理电路，从采集到的信号中提取出变频器输出信号频率从而动态调整采样频率；并且利用快速傅里叶算法分别计算出各相电流、电压的基波及3-21次谐波有效值及相应的功率、功率因数电力参数并将计算出来的参数存储于双端口RAM中，同时向双端口RAM中的固定地址单元写入数据有效标志以便通知主DSP模块读取变频器输出侧各相电参数。

上述的主从DSP模块的系统核心板主要包括TMS320F28335芯片、外围电路、电源电路，外围电路包括振荡电路和复位电路。

上述的主从DSP的系统核心板主要包括TMS320F28335芯片、外围电路、电源电路，外围电路包括振荡电路和复位电路。

上述的电流通道信号调理电路包括电流互感器、运算放大器，利用电流互感器进行电气隔离，减少变频器输入端和输出端的电流干扰，

电流互感器互出的电流信号经高精度取样电阻R32后转换为微弱的电压信号，由U4D、R92、R93、R94组成的同相比例放大电路对电压信号进行放大，由于互感器输出的是双极性信号，经过同相比例放大电路放大后其范围是-3V - +3V，而TMS320F28335的AD转换器输入端只能接受单极性信号，其范围是0V - +3V，因此需要进行信号放大以及极性转换；电阻R34和R36组成的分压电路可将其转换为单极性信号，同时利用电压跟随器U4C来提高输出阻抗；另外为了防止现场的冲击信号烧毁DSP端口，需要对DSP的AD输入端口进行保护，通过双向肖特基二极管BAT54S可进行保护，当跟随器的输出大于3V或小于0V时，其中的一个二极管导通，将电压嵌位在3V或0V，电容C30、C118、C35可以滤除线路上的高频干扰信号。

上述的电压通道信号调理电路主要由电流型电压互感器、运算放大器组成，变频器输入端和输出端的电压很大，且干扰严重，需要利用电压互感器进行电气隔离，通过星格互感器SPT204，该互感器是电流型电压互感器，起变比是2mA/2mA，并将电压转换为小于1mA的电流信号，电阻Rin由多个大功率、高精度电阻串联实现，将现场的大电压信号转换为小电流信号，运算放大器U4A和电阻R29、R28、R27以及电容C26、C27组成的电流电压转换电路将互感器输出的电流信号转换为电压信号，其范围是-3V - +3V，其中电容C27是为了防止放大电路产生自激振荡；电容C26和电阻R27用于校正互感器原边和副边之间的相位角，反并联的两个二极管D14和D15具有嵌位作用，主要用于保护后级电路，防止烧毁运放及DSP贵重元器件。

本发明的有益效果是：采用两个DSP芯片来分别采集变频器前、后端的电压、电流信号并计算出相关电参数，即测出变频器输入侧和输出侧各相电压、电流的基波成分以及3—21次的谐波成分，同时计算出相应的有功功率和功率因数等参数，并采用快速傅里叶（FFT）算法，实现分析变频器输入输出侧的电能质量的目的；

能同时、同步采集抽油机变频器输入端和输出端的电气参数，进而为分析油井工况和变频器的节能效果提供理论依据，也为油田后期的理论研究提供最有效的原始数据，使采油厂达到最佳的投入与产出比。

附图说明

附图1是本发明的系统硬件框图；

附图2是本发明的主、从DSP系统板原理框图；

附图3是本发明的RAM扩展原理图；

附图4是本发明的FLASH扩展原理图；

附图5是本发明的核心板复位电路原理图；

附图6是本发明的电流信号调理电路原理图；

附图7是本发明的电压信号调理电路原理图；

附图8是本发明的SD卡数据存取模式程序流程图；

附图9是本发明的普通电能表模式程序流程图；

附图10是本发明的手动启停模式编程流程图；

附图11是本发明的全自动启停模式编程流程图；

附图12是本发明的半自动模式编程流程图。

具体实施方式

    结合附图1-12，对本发明作进一步的描述：

本发明包括：包括主DSP模块、从DSP模块、和外部扩展接口主，其中，外部扩展接口主要用于与系统底板、双端口RAM、触摸屏接口、无线模块接口、SD卡接口以及USB接口连接；为了实现变频器的节能，以及分析抽油机工作状况，需要同时、同步测量变频器输入端和输出端的电气参数、示功图参数；因此本发明以变频器输入端和输出端电参数、示功图参数为研究对象，研究变频器电参数与示功图参数同步采集的方法，并将测量数据存储于大容量存储器中，为分析变频器节能效果、油井工况提供理论依据。

由于主、从DSP进行6路快速傅里叶（FFT）运算时需要大容量的随机存储器（RAM），而TMS320F28335内部集成的随机存储器只有68K字节，远远不能满足运算需要，为此需要外扩随机存储器；同样，由于系统软件代码复杂，需要的只读存储器（ROM）容量很大，而TMS320F28335内部集成的FLASH只有512K字节，需要进行外部扩展。外部扩展接口主要用于和系统底板、双端口RAM、触摸屏、GRPS模块、SD卡以及USB模块等连接。

参照附图2：

（1）主DSP主要负责同步采集变频器输入侧各相电流、电压信号，利用ANF算法，从采集到的信号中提取出电网频率从而实时调整采样频率；并且利用无线模块同步采集示功图的参数，利用快速傅里叶（FFT）算法分别计算出各相电流、电压的基波及3-21次谐波有效值及相应的功率、功率因数等电力参数；主DSP同时负责完成人机界面交互、远程通信以及所有电参数的存取功能；另外两DSP相互间的同步协调工作也由主DSP通过双端口RAM的数据交互来完成。

（2）从DSP接收到主DSP发来的启动命令后负责同步采集变频器输出侧各相电流、电压信号，从采集到的信号中提取出变频器输出信号频率从而动态调整采样频率；并且利用快速傅里叶（FFT）算法分别计算出各相电流、电压的基波及3-21次谐波有效值及相应的功率、功率因数等电力参数并将计算出来的参数存储于双端口RAM中，同时向双端口RAM中的固定地址单元写入数据有效标志以便通知主DSP读取变频器输出侧各相电参数。

参照附图3：主从DSP的系统核心板的外部RAM扩展采用ISSI的IS61LV51216 RAM芯片，IS61LV51216是一个8M位容量、结构为512K×16位字长的高速率SRAM，采用ISSI公司的高性能CMOS工艺制造。高度可靠的工艺水准加上创新的电路设计技术造就了这款高性能、低功耗器件。当/CE处于高电平（未选中）时，IS61LV51216进入待机模式，在此模式下，功耗可降低至CMOS输入标准。DSP的XZCS6区与XA19地址线控制外部RAM的片选，S61LV51216使用IS61LV51216的低触发片选引脚（/CE）和输出使能引脚（/OE），可以轻松实现存储器扩展。低触发写入使能引脚（/WE）将完全控制存储器的写入和读取。同一单元的内容允许高位字节（/UB）存取和低位字节（/LB）存取，存取时间为8-12ns，全静态操作，不需时钟或刷新，输入和输出兼容TTL标准，单电源3.3V供电，三态输出，高字节数据和低字节数据可分别控制；低待机功耗—低于2 mA（典型值）的CMOS待机模式。

参照附图4：主从DSP的系统核心板的外部FLASH扩展采用SST公司生产的SST39VF800芯片，SST39VF800采用SST专有的高速CMOS FLASH技术，是512K×16位的多用途高速闪存。SST39VF800具有高速的编程能力，单独写入一个字仅需14us；对整个存储器逐字的读写仅需8s的时间。使用SST39VF800的低触发片选引脚（/CE）和输出使能引脚（/OE），可以轻松实现存储器扩展。低触发写入使能引脚（/WE）将完全控制存储器的写入和读取。DSP的XZCS6区与/XA19地址线控制外部FLASH的片选，扩展512K×16位的FLASH存储器。

参照附图5：主从DSP的系统核心板的复位电路由S1按钮，JTAG接的RST1、RST2、RS联合组成，采用74HC08四路与门芯片将上述四路信号相与后控制DSP的复位端DSP_RST。D5用于指示复位电路的操作。74HC08是高速Si-gate CMOS设备并且引脚兼容的低功率肖特基TTL（输入通道），他们是在符合JEDEC规定标准号，74HC08提供2-input与功能。

参照附图6：电流通道信号调理电路设计主要由电流互感器、运算放大器等组成。变频器输入端和输出端的电流很大，且干扰严重，为了提高系统的可靠性，需要利用电流互感器进行电气隔离。本测试实验系统选用Fluke公司生产的I400电流互感器，其变比为1000:1，互感器最大输出电流为400mA。互感器互出的电流信号经高精度取样电阻R32（精度为0.1%，温漂小于10ppm）后转换为微弱的电压信号，由U4D、R92、R93、R94组成的同相比例放大电路对电压信号进行放大。由于互感器输出的是双极性信号，经过同相比例放大电路放大后其范围是-3V - +3V，而TMS320F28335的AD转换器输入端只能接受单极性信号，其范围是0V - +3V，因此需要进行信号放大以及极性转换；图6中的电阻R34和R36组成的分压电路可将其转换为单极性信号，同时利用电压跟随器（U4C）来提高输出阻抗。另外为了防止现场的冲击信号烧毁DSP端口，需要对DSP的AD输入端口进行保护。图6中双向肖特基二极管BAT54S即可进行保护，当跟随器的输出大于3V或小于0V时，其中的一个二极管导通，将电压嵌位在3V或0V。图6中的电容C30、C118、C35是为了滤除线路上的高频干扰信号，提高系统的测量精度。

参照附图7：电压通道信号调理电路设计主要由电流型电压互感器、运算放大器等组成。变频器输入端和输出端的电压很大，且干扰严重，为了提高系统的可靠性，需要利用互感器进行电气隔离。本课题选用星格互感器SPT204，该互感器是电流型电压互感器，起变比是2mA/2mA。因此需要将电压转换为小于1mA的电流信号，图7中的电阻Rin（由多个大功率、高精度电阻串联实现）就是将现场的大电压信号转换为小电流信号。图7中的运算放大器U4A和电阻R29、R28、R27以及电容C26、C27组成的电流电压转换电路将互感器输出的电流信号转换为电压信号，其范围是-3V - +3V。其中电容C27是为了防止放大电路产生自激振荡；电容C26和电阻R27用于校正互感器原边和副边之间的相位角。图中反并联的两个二极管D14和D15具有嵌位作用，主要用于保护后级电路，防止烧毁运放及DSP等贵重元器件。电压通道信号调理电路中的电压极性转换以及ADC输入端口保护电路和电流通道部分完全一致，此处不再重复叙述。

电参数测试实验系统的主、从DSP间信息交互通道设计。由于主、从DSP之间存在大量的数据交换以及数据共享，因此它们需要访问同一段存储区域，为了防止数据、地址总线的冲突，本实验系统拟采用双端口RAM—IDT70V24来完成它们之间的数据交换。IDT70V24芯片配有两套完全独立的数据线、地址线、读／写控制线，允许主从控制器对双端口存储器的同一单元进行同时存取；两套独立的“忙”逻辑，保证了两个DSP同时对同一单元读／写操作的正确性；读／写时序与普通单端口存储器完全一样，存取速度完全适合高速、实时的通信系统。本课题中采样2048个点，利用ANF算法计算出频率。2048点FFT分为1024点的复数数据来计算，计算1024点基2复数FFT需要73422个时钟周期，F28335时钟周期为6.67ns，总计消耗时间约为0.4897ms；IDT70V24最长存储时间为55ns，2048点存储时间最高为0.1126ms；由此可看出，不会出现数据的存储冲突或者出现丢失数据的现象。IDT70V24可以在DSP计算下一2048点的频率时间内将数据存入，保证数据的高速、实时通讯。

参照附图8-11：电参数测试实验系统的系统软件整体设计。软件设计分为六个功能模式，分别为：模式一、SD卡数据存储模式；模式二、普通电能表模式；模式三、手动启停模式；模式四、全自动启停模式；模式五、半自动启停模式。

Claims (5)

1.一种基于DSP的新型电参数测试实验系统，其特征是：包括主DSP模块、从DSP模块、和外部扩展接口主，其中，外部扩展接口主要用于与系统底板、双端口RAM、触摸屏接口、无线模块接口、SD卡接口以及USB接口连接；

所述的主DSP模块主要负责同步采集变频器输入侧的各相电流、电压信号，通过电流通道信号调理电路和电压通道信号调理电路，利用ANF算法，从采集到的信号中提取出电网频率从而实时调整采样频率；并且利用无线模块同步采集示功图的参数，利用快速傅里叶算法分别计算出各相电流、电压的基波及3-21次谐波有效值及相应的功率、功率因数电力参数；主DSP同时负责完成人机界面交互、远程通信以及所有电参数的存取功能；另外主DSP和从DSP相互间的同步协调工作也由主DSP通过双端口RAM的数据交互来完成；

所述的从DSP模块主要负责接收主DSP发来的启动命令，再同步采集变频器输出侧各相电流、电压信号，通过电流通道信号调理电路和电压通道信号调理电路，从采集到的信号中提取出变频器输出信号频率从而动态调整采样频率；并且利用快速傅里叶算法分别计算出各相电流、电压的基波及3-21次谐波有效值及相应的功率、功率因数电力参数并将计算出来的参数存储于双端口RAM中，同时向双端口RAM中的固定地址单元写入数据有效标志以便通知主DSP模块读取变频器输出侧各相电参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的新型电参数测试实验系统，其特征是：所述的主从DSP模块的系统核心板主要包括TMS320F28335芯片、外围电路、电源电路，外围电路包括振荡电路和复位电路。

3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的新型电参数测试实验系统，其特征是：所述的主从DSP的系统核心板主要包括TMS320F28335芯片、外围电路、电源电路，外围电路包括振荡电路和复位电路。

4.根据权利要求1所述的一种基于DSP的新型电参数测试实验系统，其特征是：所述的电流通道信号调理电路包括电流互感器、运算放大器，利用电流互感器进行电气隔离，减少变频器输入端和输出端的电流干扰，

电流互感器互出的电流信号经高精度取样电阻R32后转换为微弱的电压信号，由U4D、R92、R93、R94组成的同相比例放大电路对电压信号进行放大，由于互感器输出的是双极性信号，经过同相比例放大电路放大后其范围是-3V - +3V，而TMS320F28335的AD转换器输入端只能接受单极性信号，其范围是0V - +3V，因此需要进行信号放大以及极性转换；电阻R34和R36组成的分压电路可将其转换为单极性信号，同时利用电压跟随器U4C来提高输出阻抗；另外为了防止现场的冲击信号烧毁DSP端口，需要对DSP的AD输入端口进行保护，通过双向肖特基二极管BAT54S可进行保护，当跟随器的输出大于3V或小于0V时，其中的一个二极管导通，将电压嵌位在3V或0V，电容C30、C118、C35可以滤除线路上的高频干扰信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于DSP的新型电参数测试实验系统，其特征是：所述的电压通道信号调理电路主要由电流型电压互感器、运算放大器组成，变频器输入端和输出端的电压很大，且干扰严重，需要利用电压互感器进行电气隔离，通过星格互感器SPT204，该互感器是电流型电压互感器，起变比是2mA/2mA，并将电压转换为小于1mA的电流信号，电阻Rin由多个大功率、高精度电阻串联实现，将现场的大电压信号转换为小电流信号，运算放大器U4A和电阻R29、R28、R27以及电容C26、C27组成的电流电压转换电路将互感器输出的电流信号转换为电压信号，其范围是-3V - +3V，其中电容C27是为了防止放大电路产生自激振荡；电容C26和电阻R27用于校正互感器原边和副边之间的相位角，反并联的两个二极管D14和D15具有嵌位作用，主要用于保护后级电路，防止烧毁运放及DSP贵重元器件。